Een quantum trukendoos: licht, atomen, chips

Transcriptie

1 Een quantum trukendoos: licht, atomen, chips Robert Spreeuw Van der Waals-Zeeman Instituut Waarnemen is verstoren Atoomchips voor quantum rekenen Deeltjes en golven Quantum trucs? Klassieke trucs: Goochelaars vreemd resultaat: loopje met het gezond verstand illusie, afleiding van de aandacht, Quantum trucs: Quantum mecaniciens vreemde effecten: loopje met onze klassieke intuitie de wetten van de QM: geen illusies, echt vreemd 2 VivaFysica

2 Vreemde quantum ingredienten 1. Meten is verstoren Alles wat informatie oplevert waarnemen is ook meten! Truc: communicatie zonder afluisteren Quantum cryptografie 2. Quantum verstrengeling Toestand van een deel ligt niet vast, alleen de relatie tot andere delen ligt vast Truc: Quantum rekenen (in ontwikkeling) Quantum rekenen 3. Deeltjes zijn golven zijn deeltjes De waarnemer bepaalt (meting!) Truc: interferentie van materiegolven Tijd meten: atoomklokken, Zwaartekracht meten (olie) Bose-Einstein condensatie Interferentie 3 Waarnemen is verstoren Kat van Schrödinger Quantum cryptografie: QM dwarsboomt de afluisteraar VivaFysica

3 Kat van Schrödinger, 1935 Binnen afgesloten doos: radioactief atoom vervalt Geiger teller zet hamer in beweging kolf met blauwzuur breekt kat komt te overlijden Na een uur, met 50/50 kansen: 1. Atoom vervallen, kat dood 2. Atoom niet vervallen, kat leeft Totdat de doos geopend wordt, is de quantum toestand een superpositie van beide mogelijkheden Bij het openen dwing je het systeem een van beide te realiseren meten is verstoren! 5 Schrödinger, VivaFysica

4 Curiosity kills Schrödinger s cat? 7 Alice in Quantum Wonderland (geïnspireerd op Lewis Carroll, 1865) 8 VivaFysica

5 Quantum key distribution BB84 protocol (Bennett-Brassard, 1984) Gebaseerd op het versturen en ontvangen van fotonen met polarisatie in verschillende richtingen. Onopgemerkt afluisteren is onmogelijk omdat een meting de polarisaties van de fotonen verandert. 9 BB84 protocol Alice Bob Alice&Bob 10 VivaFysica

6 BB84 Alice (A) stuurt foton aan Bob (B) B meet polarisatie: 0 of 1 Na schifting hebben A en B beiden dezelfde willekeurige bitstring, bv Dit is de sleutel: hiermee kan het eigenlijke bericht versleuteld worden Expt. A. Zeilinger Innsbruck/Wenen VivaFysica

7 Quantum informatica Rekenen met qubits; de ultieme meestertruc Quantum Informatie: qubits Klassiek bit: 0 or 1, maar niet tegelijk! Quantum bit, qubit : quantum systeem met twee toestanden, { 0, 1 } (spin-½, polarized photon, etc.) toestand van een qubit: α 0 + β β 1 - as α 0 - as Bij meting: 0 met kans α 2 1 met kans β 2 (Oxford CQC) 14 VivaFysica

8 Quantum Information: from bits to qubits Klassiek: 3 bits coderen 2 3 getallen bv. 011 = 3, 111 = 7 (of-of: niet tegelijk!) Toestand van een qubit: α 0 + β 1 n qubits = quantum register bv. 0> 1> 1> = 011> Quantum register kan ook superposities bevatten: α 0 000> + α 1 001> + α 2 010> α 7 111> (2 3 =8 getallen α) Bij n qubits: 2 n getallen 15 Quantum informatie 2 n waarschijnlijkheidsamplitudes: Quantum Informatie Naief: voor n qubits: 2n getallen α 2 n ipv 2n komt door quantum verstrengeling Quantum informatie groeit exponentieel met aantal qubits bv : addresseerbaar geheugen voor 32-bit OS > > # atomen in het universum! een 300-qubit register kun je niet simuleren op een klassieke computer! (~ Feynman 1982) Het universum is niet groot genoeg om de quantum toestand van één eiwitmolecuul volledig uit te schrijven! 16 VivaFysica

9 Quantum computing: de ultieme meestertruc Rekenen met qubits in plaats van bits Superefficient voor sommige specifieke problemen, bv. ontbinden in priemfactoren (Shor 1994) doorzoeken van een ongeordende lijst (Grover 1997) Vereist nieuwe hardware Bv. ionenval, supergeleiders, quantum dots, neutrale atomen,? Quantum informatie is uitermate fragiel (meten is verstoren) Decoherentie Niet tussentijds kijken! 18 Nieuwe hardware voor Quantum trucs Atoomchips VivaFysica

10 Een nieuwe trukendoos: atomen op een chip Qubits: rubidium atomen + 0 en 1 zijn verschillende spin-orientaties in de grondtoestand (Grondtoestand heeft 8 spin toestanden; daaruit kiezen we er twee) energie 1 0 magnetisch veld Houder: atoomchip Patroon van magnetische structuren, als op een harde schijf (of: patroon van stroomdraadjes) Informatie bewerken: lasers, microgolven, radiogolven 20 Een atoom als minuscuul magneetje Atomen, elektronen hebben zgn. spin en lijken op staafmagneetjes N S aantrekking afstoting Krachten uitoefenen met behulp van andere magneetvelden! NS NS P.S. Magnetisch moment van Rb atoom hoofdzakelijk bepaald door één ongepaard elektron 21 VivaFysica

11 Atoomchip I eff =0.2A neutral-atom qubit, ~µk atom chip (kamertemperatuur) 22 µm 10 µm FePt film: Hitachi/WZI magnetized out of plane patterning: Amsterdam nanocenter Dun laagje magnetisch, hard-disk achtig materiaal Speciaal ontworpen patroon in de magnetische laag geëtst Atomen zitten gevangen in magnetische veldminima, vlak boven het oppervlak Atomen afgekoeld tot bijna absolute nulpunt; chip zelf op kamertemperatuur 22 Lithografie Patterning using UV lithography and an Argon plasma etch Photo resist FePt Si S1813 UV S1813 Develop Ar 1.2 µm 200 nm Lithografische technieken ontwikkeld voor halfgeleiderchips Photograph of patterned atom chip Magnetic lattice 23 VivaFysica

12 30 Jan Magnetische-film atoomchip chip Photograph of patterned atom chip Cu wires Magnetic lattice RF coil FePt film: dikte 300 nm geschikt voor ultrahoogvacuum geen demagnetisatie bij uitstoken R. Gerritsma et al, Phys. Rev. A 76, (2007) 24 A 2D rooster van microvallen New J. Phys., in press 200 µm False-colour absorption image of trapped 87Rb atoms Magnetic lattice atom chip Trapped atoms atomen, 87Rb at T = µk Lens 10,000 atomen per val, >400 vallen, 1250 vallen/mm2 Probe Alleen aan de UvA! toekomstvisie: een qubit per roosterpositie CCD 25 VivaFysica

13 Schuifregister voor atomen Methode om atomen over de chip te transporteren (transportband) Ingredient voor quantum computer Werkt door extern B-veld te draaien Optimale veldcomponenten: Schematic of the shift operation (1) (2) (3) (4) (5) Applied B fields (1) (2) (3) (4) (5) Calculation tools: R. Gerritsma & R.S. PRA74, (2006) 26 Atomic shift register Zoom in of first period Schuiven over 5 roosterperiodes en terug 40% verlies door 3-deeltjes botsingen 27 VivaFysica

14 Local control Gefocusseerde laser maakt een positie leeg Gecombineerd met schuifregister 28 Interferentie van materiegolven VivaFysica

15 Gaswolkje gesplitst met een chip Atoomchip op basis van draden twee quantum gaswolkjes deeltjes (warm) geëxpandeerd, overlappend golven (koud) 30 Interferentie van materiegolven Experiment: J.J. van Es, N.J. van Druten atomen + atomen = vacuum (?) Toepassing van interferometrie: Atoomklokken, zwaartekracht en rotatie meten, Hier: studie van laagdimensionale quantumgassen 31 VivaFysica

16 Samengevat Quantum mechanica als trukendoos Waarnemen is verstoren Truc: Quantum cryptografie een afluisteraar krijgt geen kans Quantum informatie Truc: Quantum rekenen belooft ongekende efficientie voor sommige problemen Hardware in ontwikkeling i.c.: atoomchips op basis van magnetische film Golven en deeltjes Truc: uitdoving en versterking (interferentie) van materiegolven 32 VivaFysica